Используя инструмент информатики, который идентифицирует «горячие точки» активности посттрансляционной модификации (PTM) в белках, исследователи обнаружили ранее неизвестный механизм, который тормозит важный процесс клеточной передачи сигналов с участием G-белков, обнаруженных в большинство живых организмов.
Механизм, получивший название «хвост», является частью небольшого белка, известного в основном своей ролью в прикреплении более крупных структур к клеточной мембране. Когда исследователи деактивировали хвост, сигнальный ответ, на который раньше уходило 30 минут, произошел почти сразу - с интенсивностью, в четыре раза превышающей нормальную.
Исследование проводилось на дрожжах, но если аналогичный процесс происходит с G-белками человека, это открытие может обеспечить новую мишень для лекарств для контроля важных клеточных процессов и потенциально предложить новый класс биосенсоров, способных более чувствительно обнаруживать и реагировать на определенные химические агенты. Исследование, проведенное при поддержке Национального института общих медицинских наук (NIGMS) при Национальном институте здравоохранения, было опубликовано 1 мая в журнале Cell Reports.
«Мы открыли механизм, который регулирует скорость включения пути внешним раздражителем», - сказал Мэтью Торрес, адъюнкт-профессор Школы биологических наук Технологического института Джорджии. «Генетически изменяя механизм контроля, лежащий в основе этого процесса, мы можем модулировать, сколько сигнала извне попадает внутрь клетки и как быстро он проходит. Это тем более удивительно, что этот механизм скрывался у всех на виду. на протяжении десятилетий."
G-белки, также известные как белки, связывающие гуаниновые нуклеотиды, представляют собой семейство молекул, которые действуют как молекулярные переключатели внутри клеток. Они передают сигналы, полученные от различных внеклеточных стимулов, внутрь клетки - через мембрану, которая в противном случае не позволяла бы общаться.
Хвост, обнаруженный Торресом и докторантом Шилпой Чоудхури, вероятно, ускользнул от внимания, потому что он гибко прикреплен к субъединице гамма-белка G тесно сотрудничающей группы белков, известной как G бета/гамма. Белковые структуры обычно идентифицируют методами рентгеновской кристаллографии, которые не позволяют различить структуры, находящиеся в движении.
До их работы гамма-субъединица G была известна прежде всего как белок, соединяющий более крупную бета-субъединицу с клеточной мембраной. Без работы SAPH-ire - программы информатики, которая отображает активность PTM с помощью машинного обучения - роль хвостовой структуры, возможно, не была бы определена.
«В течение многих лет люди рассматривали G бета/гамму как единое целое, а не как отдельные компоненты», - сказал Чоудхури, первый автор статьи. «Гамма - крошечный белок по сравнению с более крупной бета-субъединицей G, но теперь мы знаем, что он играет важную роль в активности сигнальной системы».
В дрожжах субъединицы G бета/гамма активируют сигнальный путь в ответ на феромоны, процесс, который обычно занимает около 30 минут после стимуляции рецептора феромона на клеточной мембране. Торрес и Чоудхури подозревали, что модификации белков, PTM, каким-то образом вызывают задержку. Их компьютерная программа SAPH-ire, разработанная в лаборатории Торреса и анонсированная в 2015 году, указала пальцем прямо на гамма-субъединицу G.
Программа анализирует существующие репозитории метаданных о последовательности белка и активности PTM, чтобы выявить «горячие точки» изменения белка. SAPH-ire был разработан для ускорения поиска важных регуляторных мишеней в белковых структурах и обеспечения лучшего понимания того, как белки взаимодействуют друг с другом внутри клеток.
Извлекая из мировых баз данных PTM, которые используют масс-спектрометрию для идентификации последовательностей, которые химически изменены, SAPH-ire указал на конкретное место на белке G-gamma. Используя методы генетической мутации, Чоудхури модифицировал участок белка, чтобы сделать структуру хвоста неактивной.
Но убрать хвост из процесса было недостаточно. Чтобы активировать сигнальный процесс, структуры на хвосте должны были взаимодействовать с отдельным эффекторным белком. Когда оба были инактивированы, исследователи увидели драматический эффект при стимуляции рецептора.
«Вы можете думать о сигнальном пути как о колесе, съезжающем с холма, когда две подушечки велосипедного тормоза захватывают колесо, чтобы замедлить его», - сказал Торрес. «Активация рецептора феромона похожа на отпускание колеса вниз по склону. Когда оба тормоза активны, колесо движется очень медленно, потому что два тормоза работают вместе, чтобы снизить его скорость и импульс. Оказывается, именно так этот путь ведет себя в нормальных клетках сразу после стимуляции рецептора».
"Если вы убираете один из тормозов, вы получаете частичное торможение, и колесо может двигаться немного быстрее, но все еще удерживается от максимально возможного движения. Так ведет себя путь в нормальных клетках в течение первых 20 минут после стимуляции рецепторов. Но если вы отключите оба тормоза, отпускание колеса вниз по склону приведет к очень высокой скорости и импульсу - что-то вроде тележки для гольфа без регулятора."
Именно это и произошло, когда Чоудхури предотвратил ПТМ как на G-гамме, так и на эффекторном белке. «Когда мы это делаем, мы видим быструю активацию сигнального пути, которая происходит в шесть раз быстрее и в четыре раза интенсивнее, чем в нормальном состоянии с неповрежденными тормозами пути».
Помимо определения механизма контроля пути, исследователи также узнали, как он контролирует способность дрожжей реагировать на феромоны в «переключательном» режиме, который либо включен, либо выключен по сравнению с аналоговым способом, который аналогичен к ручке громкости на стереосистеме.
Хотя Торрес и Чоудхури сделали свое открытие на дрожжах, они полагают, что оно будет иметь широкое значение, потому что все организмы, содержащие G-белки, включая человека, имеют хвосты G-гамма, пронизанные PTM. Одним из следующих шагов будет проверка того, проявляют ли тот же тип тормозной системы субъединицы G-гамма и эффекторы G-бета/гамма в клетках человека. Если это так, это может дать информацию, которая может выявить потенциально новые цели для наркотиков.
«Хвост существует, и он важен в этом процессе контроля взаимодействия с эффекторами G бета/гамма, которые необходимы для включения сигнальных путей», - сказал Торрес. «Мы подозреваем, что важность G-gamma как регулятора передачи сигналов G-белка будет распространяться не только на какой-либо отдельный организм».